开采条件下马海盐湖地下卤水水化学演化特征

赵英杰，胡舒娅，赵全升，李波，路来君

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.青岛大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266071；3.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590

0 引言

地下卤水属于较为特殊的地下水，作为一种可供开发利用的液体矿产资源，已被各国学者所公认[1]。中国已探明的钾盐储量绝大部分分布于青海省柴达木盆地和新疆罗布泊等几个现代盐湖中，且主要以液体卤水矿为主[2-4]。

柴达木盆地中盐湖含水层赋存卤水的孔隙介质骨架矿物(石盐、石膏和光卤石等)具有较强的易溶性，地下卤水又具有高矿化度、多组分、易析出等特点[5-6]。天然状态下含卤水层中卤水运移极为缓慢，盐岩孔隙介质与卤水间处于相对稳定的化学平衡状态[7-9]。但在开采过程中，渗流场、化学场剧烈波动变化，打破了原有平衡，导致卤水化学组分及动态不断变化且持续演化，研究卤水水化学动态及其演化规律对于及时掌握卤水工业指标品位新变化、资源储量计算与评价等方面具有重要的科学指导意义[10-14]。国内外学者对地下水卤水水化学特征及其成因进行了大量的研究，Larsen D et al.研究了美国加利福尼亚州东南部特科帕盆地地下卤水的水化学组成并利用同位素研究了卤水的来源[15]。Eseme E et al.通过研究喀麦隆西南马梅弗盆地5处卤水井的水文地球化学特征，推测盐源的矿物含量并结合地质特征分析了卤水的成因[16]。Bo Y et al.通过研究中国西部塔里木盆地盐泉水化学特征及其控制因素，发现塔里木盆地的河流水组成与周围岩石类型和强烈的蒸发作用密切相关，同时来自深部的热液型钙卤化物在塔里木盆地的水化学演化中起着重要作用[17]。Ye C Y et al.基于卤水化学成分和氢氧同位素研究了中国西北柴达木盆地尕斯库勒盐湖丰富盐矿的起源[18]。刘溪溪等通过对柴达木盆地西部狮子沟深部卤水水化学特征、物质来源的分析，发现狮子沟深部卤水主要是盐岩溶解作用形成的，其中不乏有沉积卤水的加入[19]。但相关研究大多数侧重于成岩作用对卤水同位素组分和化学成分的控制作用，对于开采过程中卤水水化学动态特征及其演化规律的研究较少[20]。本文以柴达木盆地马海盐湖为研究对象，选择开采前、开采初期和开采中后期地下卤水，采用多种方法分析马海盐湖地下卤水水化学动态特征，探索其演化规律，为地下卤水的合理开发与利用提供科学依据。

1 研究区概况

马海盐湖位于柴达木盆地东北部(图1)，是由褶皱和断裂构造运动形成的一个次级盆地。盆地内广泛分布第四系下更新统—全新统(Qp1-Qh)，其含卤水层以盐类沉积物为主并夹杂有黏性土、砂等碎屑物，主要赋存于中新统(Qp2)、上更新统(Qp3)和全新统(Qh)地层中。

图1 马海盐湖位置及样品点分布图Fig.1 Location and sample distribution map of Mahai salt lake

该区域属于典型的现代内陆盐湖沉积平原，海拔2 743～2 750 m。多年平均气温2.1℃，多年平均降水量29.61 mm，多年平均蒸发量3 040 mm，属典型的内陆干旱气候，多风少雨，气候寒冷，昼夜温差较大[5-6]。

2 数据处理

马海盐湖自2000年开始开采潜卤水，至2009年卤水潜水含水层水位已出现较大范围的降落漏斗。为研究开采过程中地下卤水水化学动态特征，分别选取潜卤水未开采前(1998年)、开采初期(2002年)和开采后期(2009年)三个时期的水化学数据进行分析研究。

表1 马海盐湖卤水水化学参数统计表Table 1 Statistical table of chemical parameters of Mahai salt lake

3 结果与讨论

3.1 离子含量统计特征

3.2 离子含量相关性分析

表2 不同阶段卤水样品离子含量相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of ionic content of brine samples in different stages

未开采前，K+与TDS及Na+，Mg2+，Cl-均具有较强的正相关性，表明天然状态下，随着卤水的蒸发浓缩、TDS增大，K+含量也在不断增加。而在开采后，K+与TDS及Na+，Mg2+，Cl-相关性均较小，并且从表1中也可以看出，开采后K+含量明显下降，说明卤水开采过程中K+补给较少。

卤水样品中Mg2+与 Cl-离子均表现出较强的正相关性，相关性系数分别为0.759、0.920、0.930，即随着TDS的增大Mg2+含量在不断增加。Mg2+与Na+均表现出较强的负相关性，3个阶段的相关性系数分别为-0.987、-0.974、-0.959。Mg2+与Ca2+相关性较弱。

3.3 离子比例分析

从Na+、Ca2+与Mg2+含量比例散点图中(图2)可以看出，3个阶段卤水样品中Na+、Ca2+与Mg2+含量比例系数大致相同，总体上表现为随着Mg2+含量增加，Na+含量逐渐降低。Ca2+含量较小，且随Mg2+含量的增加几乎不变。说明当卤水中的TDS达到一定值时，Na+开始与储卤介质中吸附的Mg2+进行离子交换，反应式可以写成：

图2 卤水Na +、Ca2+与Mg2+含量比例散点图Fig.2 Scatter diagram of content ratios of Na +, Ca2+ and Mg2+ in brine

Mg-X+2Na+→Mg2++Na-X

(1)

Ca2+含量远小于Mg2+含量，开采中后期卤水样品中Mg2+平均含量高于未开采前卤水样品的Mg2+含量，说明卤水在开采的过程中发生了白云石的溶解，方解石的沉淀。

(2)

(3)

3.4 卤水水化学类型

图3 不同阶段卤水水化学类型分布图Fig.3 Distribution map of hydrochemical types of brine at different stages

4 结论

(2)卤水样品中Mg2+与Na+均表现出较强的负相关性，3个阶段的相关性系数分别为-0.987、-0.974、-0.959,随着Mg2+含量增加，Na+含量逐渐降低。存在Na+与储卤介质中Mg2+的离子交换，且卤水开采的过程中存在白云石的溶解和方解石的沉淀。

(3)按照瓦利亚什科水化学分类方法，马海盐湖地下卤水水化学类型主要为硫酸镁亚型，局部有氯化物型地下卤水。总体上，马海盐湖已经达到了石盐析出阶段，在开采过程中卤水水化学类型并未发生较大改变。